면접을 위한 CS 전공지식 노트도서를 참고하여 정리하였습니다. ❗️
SECTION 3.1 운영체제와 컴퓨터
3.1.1 운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
- CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.
2. 메모리 관리
- 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리한다.
3. 디스크 파일 관리
- 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.
4. I/O 디바이스 관리
- I/O 디바이스들은 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.
운영체제의 구조
유저 프로그램 > GUI > 시스템콜 > 커널 > 드라이버 > 하드웨어 순으로 이루어져 있다. (강조되어 있는 부분이 운영체제를 지칭)
시스템콜
운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며, 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다.
- 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)이 발생하면 올바른 요청인지 확인 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행됨.
컴퓨터 작원에 직접 접근을 차단할 수 있으며, 다른 프로그램으로부터 보호 가능
시스템콜의 장점
네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있음 -> 추상화 계층이므로
modebit
시스템콜이 작동될때 modebit 을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.
modebit은 1(유저 모드) 또는 0(커널 모드)의 값을 가지는 플래그 변수이다.
예로, 유저 모드를 기반으로 카메라가 켜진다면 사용자가 의도하지 않았는데 공격자가 카메라를 갑자기 켤 수 있는 등 나쁜 짓을 하기가 쉽다. ❗️
그로 인해, 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기가 쉽다. -> modebit
유저 프로그램이 카메라를 이용하려고 할 때 시스템콜을 호출하고 modebit 변소의 값을 0(커널)으로 바꾸어 카메라 자원을 이용한 로직을 수행하는 방식 -> 그 이후 1(유저)로 변경하여 이후 로직 수행
용어 정리 💡
- GUI : 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태 (명령어가 아닌 마우스 클릭으로 인한 그래픽 인터페이스)
- 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
- CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
- I/O 요청 : 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
- 유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
- 커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
- 커널 : 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할
3.1.2 컴퓨터의 요소
CPU
CPU(Central Processing Unit)는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치이다.
- 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석하여 실행하는 역할이다. (
단순한 일꾼!)
관리자역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스를 만들면일꾼인 CPU가 처리한다.
제어 장치
제어장치(CU, Control Unit)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 부품
- 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.
레지스터
레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
- CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다.
- CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.
산술논리연산장치
산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)는 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
CPU의 연산장치
제어장치->메모리: 계산할 값을 로드 +레지스터에도 값 로드제어장치->산술논리연상장치:레지스터에 있는 값을 계산 명령 지시제어장치->레지스터->메모리: 게산된 값을레지스터에서 메모리로저장
인터럽트
인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말함.
- IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생
인터럽트 발생->인터럽트 벡터->인터럽트 핸들러 함수실행
하드웨어 인터럽트
하드웨어 인터럽트는 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말함
- 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스 내 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행
소프트웨어 인터럽트
소프트웨어 인터럽트는 트랩(trap)이라고도 함.
- 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발생
DMA 컨트롤러
DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
- CPU 부하를 막기 위해 CPU의 일을 부담하는
보조 일꾼 - 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지함.
메모리
메모리는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록(기억)하는 장치를 말하며, 보통 RAM(Random Access Memory)을 메모리라고도 함.
타이머
타이머는 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할
디바이스 컨트롤러
디바이스 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말하고 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 메모리를 뜻함.
용어 정리 💡
- 인터럽트 핸들러 함수 :
- 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수.
- 커널 내부의 IPQ를 통해 호출되며
request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있음.
Q & A ❗️❓
Q : 운영체제의 역할은 무엇인가요?
A :
운영체제의 역할은 크게 네 가지로 나뉩니다.
1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
2. 메모리 관리
3. 디스크 파일 관리
4. I/O 디바이스 관리
[References]
인프런 강의 - 면접을 위한 CS 전공지식 노트
시스템콜 동작 사진
